2015年7月1日

鈣鈦礦晶體材料—新一代薄膜太陽能電池

作者/張裕祺(美國約翰霍浦京斯大學化學工程博士,淡江大學化學工程與材料工程學系專任教授,研究興趣為電化學工程)

太陽能電池的發展最初是採用矽基材料,而後有III-V族、II-VI族化合物的應用,以及染料敏化材料和有機材料等的開發。光電轉換效率、製造成本,及穩定性等是太陽能電池材料開發的考量要因,也造成不同太陽能電池材料的消長。

雖然當前太陽能電池較廣為應用的主要原料仍是為矽基材料,其光電轉換效率近於20%,但是具鈣鈦礦晶體結構的甲基銨鉛鹵化物材料則是近年來被看好、各國積極發展的目標。自2012年中開發出穩定的CH3NH3PbI3固態太陽能電池,幾經改良,其光電轉換效率迄今已超過15%,目前認證最佳值為17.9%。欲使太陽能電池在電力市場上可和傳統燃料競爭,乃需降低太陽能發電的總成本,此可藉減低電池原料成本及系統製作成本,以及提高光電轉換效率而達成。利用CH3NH3PbI3,及其若干變異體,所組成的固態太陽能電池的原料成本低於矽基材料,且有適當工程技術可方便且價廉地製作大面積成品,所以成為當前研發熱點。

太陽能電池材料的選擇
太陽能電池,亦稱光伏電池,乃是利用光伏效應將太陽光的能量轉換為電能的電池。要將光能轉換成電能,所使用的材料需具有光吸收效能、光及電傳導效能、及內建電場或電位障壁效能⋯⋯等等特性。值得注意的是,基於此諸考量,適用材料都為具半導體性質的材料。為什麼?簡單講,太陽能電池目的之一乃是將光能轉換為電能,並伴隨產出光電流,這過程本質是量子反應,涉及光量子的被吸收及電荷的傳輸等等問題。

就金屬材料而言,當金屬受到光照時,其價電子吸收光量子後,轉移到更高能階,但由於金屬中電子強烈的相互作用,電子的激發能乃即刻消耗,轉化成熱能,而無法產生光電流;僅有在金屬表面的受激電子才能脫離金屬而轉移到鄰接的電介質或電解液相,從而產生光電流。因此,金屬不適用為光電轉換材料。......【更多內容請閱讀科學月刊第547期】

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